[논문 리뷰] High-Fidelity Solar Power Income Modeling for Solar-Electric UAVs: Development and Flight Test Based Verification

Philipp Oettershagen|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 21.

Advanced Aircraft Design and Technologies참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 항공기 자세, 기하학적 구조, 온도 및 태양 각도-입사각을 고려한 고정밀 태양전지 모델(FM)을 제안한다. 이는 태양전기 무인항공기에서 예측 정확도를 크게 향상시킨다. 28시간의 비행 데이터와 비교 검증된 결과, FM은 평균 태양전력 오차를 -1.75%로 줄였으며, 기존 모델의 최대 18% 오차보다 뛰어나다.

ABSTRACT

Solar power models are a crucial element of solar-powered UAV design and performance analysis. During the conceptual design phase, their accuracy directly relates to the accuracy of the predicted performance metrics and thus the final design characteristics of the solar-powered UAV. Likewise, during the operations phase of a solar-powered UAV accurate solar power income models are required to predict and assess the solar power system performance. However, the existing literature on solar-powered UAVs uses highly simplified solar power models. This technical report therefore, first, introduces a high-fidelity solar power model that takes into account the exact aircraft attitude, aircraft geometry, and physical effects such as temperature and the sun radiation's angle-of-incidence that influence the overall solar power system efficiency. Second, models that require a reduced set of input data and are thus more appropriate for the initial design phase of solar-powered UAVs are derived from the high-fidelity model. Third, the models are compared and verified against flight data from a 28-hour continuous day/night solar-powered flight. The results indicate that our high-fidelity model allows a prediction of the average solar power income with an error of less than 5% whereas previous models were only accurate to about 18%.

연구 동기 및 목표

• 태양전기 무인항공기 설계 및 운영에서 정확한 태양전력 수입 모델링의 필수적 필요성을 해결한다.
• 항공기 자세, 태양 각도-입사각, 온도 영향을 忽시하는 단순화된 모델의 한계를 극복한다.
• 다양한 설계 단계에 맞춘 모델 계층 — 전체 모델(FM), 개념 분석 모델(CAM), 개념 설계 모델(CDM) — 를 개발한다.
• AtlantikSolar 무인항공기의 28시간 태양전력 비행 데이터를 바탕으로 모델 정확도를 검증한다.
• 설계자들이 단계에 맞는 오차 인식 모델을 활용해 초기 및 후기 설계 단계에서 성능 예측 정확도를 향상시킬 수 있도록 한다.

제안 방법

• 항공기 상태에 따라 변하는 시간 해상도 모델로서 정확한 자세, 기하학적 구조, 온도 및 입사각과 같은 물리적 영향을 포함한 전체 태양전력 모델(FM)을 개발한다.
• 입력 데이터 요구량을 줄여 초기 설계 단계에서 사용 가능한 개념 분석 모델(CAM)과 개념 설계 모델(CDM)을 FM에서 유도한다.
• 위도, 시간, 연중 일수, 고도 및 태양 모듈의 수직 벡터를 기반으로 [1]에 기반한 태양 복사 모델을 사용하여 입사 태양 복사량을 계산한다.
• 태양 모듈의 입사각(γ)과 온도 보정을 위해 [1]과 [6]의 경험적 곡선을 사용하여 η_sm를 조정한다.
• 자세에 따라 달라지는(FM, VM) 및 자세에 무관한(CDM, CAM) 모델 간 공정한 비교를 위해 비행 데이터에 사전 필터링 기법을 적용한다.
• 실제 28시간의 일주기 비행 데이터를 기반으로 예측된 태양전력과 비교하여 모델을 검증하고, 평균 전력 및 RMS 편차에서의 체계적 오차를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항공기 자세와 태양 입사각을 고려할 경우, 태양전기 무인항공기에서 태양전력 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 현행 무인항공기 설계 문헌에서 사용되는 고정밀 모델과 단순화된 모델 간의 성능 격차는 어떠한가?
• RQ3 비행 중 공기역학적 힘에 의해 유도되는 자세 변화가 태양전력 수입 예측에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 입력 데이터를 줄인 모델(CAM)이 초기 개념 설계 단계에서 기존 설계 모델(CDM)보다 예측 정확도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 실제 28시간 태양전력 비행 데이터를 기반으로 검증된 전체 모델(FM)의 정확도는 어떠한가?

주요 결과

• 실제 비행 데이터와 비교한 결과, 전체 태양전력 모델(FM)은 평균 태양전력 예측 오차가 오직 -1.75%에 불과하여 높은 정확도를 입증하였다.
• 기존의 개념 설계 모델(CDM)은 평균 태양전력을 17.81% 과대평가하여 실제 임무에서 성능 부족의 심각한 위험을 시사한다.
• 입사각 영향을 포함한 개념 분석 모델(CAM)은 평균 오차를 5.31%로 줄여 CDM 대비 상당한 향상을 이룬다.
• 비행 중 순환 항로에서 풍속에 의해 유도되는 항공기 자세 변화는 특히 오전에 태양 조사 감소로 인해 CAM에서 체계적 과대평가를 유도한다.
• 사전 필터링된 비행 데이터를 사용할 경우 FM의 예측 오차는 RMS 기준 4.19%로 추가로 감소하여, 고도의 성능 분석에 대한 강건성을 확인한다.
• 본 연구는 태양 모듈 효율의 입사각 의존성과 풍속에 의한 자세 변화가 초기 설계 단계에서 고려되어야 하는 핵심 요소임을 규명하였다. 이를 통해 성능 놀라움을 방지할 수 있다.